Tài liệu Hững kiến thức cơ bản về viễn thám

Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS CHƯƠNG 3: NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ RS Mục đích: Giúp người học nắm được một số vấn đề chính sau: - Lịch sử phát triển của RS trên thế giới và Việt Nam - Định nghĩa, nguyên lý làm việc và thành phần trong RS - Các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng sóng điện từ, phản xạ phổ - Các loại RS và những vệ tinh RS - Tổng thể vật mang, bộ cảm biến trong RS 1. Lịch sử phát triển Trên thế giới Thuật ngữ ‘Viễn Thám’ được đưa ra vào năm 1960 bởi Evelyn Pruitt thuộc viện Hải quân Hoa Kỳ. Tuy nhiên, lịch sử viễn thám đã có từ trước. Đầu tiên là các bức ảnh chụp từ một khinh khí cầu gần Paris 1858. Suốt 50 năm sau đã có sự tiến bộ rõ rệt đó là thiết kế máy ảnh và làm phim nhũ. Năm 1909, phi công Wilbur Wright đã chụp bức ảnh đầu tiên từ máy bay khi bay qua vùng Centocelli ở Ý. Hầu hết ảnh không chụp theo phương ngang mà xiên xuống mặt đất. Phổ biến là hình ảnh những thành phố lớn và các danh lam thắng cảnh. Qua đây, các nhà khoa học nhận thấy tiềm năng chụp ảnh trên không là công cụ tạo ra bản đồ và từng bước khoa học quan trắc phát triển. Mãi đến chiến tranh thế giới thứ nhất, chụp ảnh trên không được sử dụng với quy mô lớn và có hệ thông. Máy ảnh được thiết kế đặc biệt để do thám trên không và xử lý nhanh chóng để có thể chụp hàng nghìn tấm ảnh mỗi ngày. Song song đó, công nghệ giải đoán ảnh để có những thông tin bổ ích cũng được phát triển. Bằng cách quan sát diễn biến về con người và cơ sở trên mặt đất trong thời gian dài sẽ giúp cho các nhà chiến lược dự đoán được quá trình thao diễn quân sự. Đến cuối chiến tranh thế giới thứ nhất, đã có những cải tiến đáng kể về máy bay, thiết bị xử lý của máy ảnh và số lượng người có kinh nghiệm chụp ảnh trên không, xử lý ảnh tăng lên đáng kể. Những cải tiến về thiết bị chụp ảnh được giới thiệu và những năm 1920 và 1930 và chụp ảnh trên không trở thành nguồn thông tin tin cậy để biên tập bản đồ. Chụp ảnh trên không chưa được sử dụng phổ biến. Chủ yếu các nhà địa lý, lâm nghiệp và nhà quy hoạch ở Châu Âu và Bắc Mỹ đã sử dụng nó cho những nghiên cứu với về địa lý với quy mô nhỏ của mình ở Châu Phi và Nam Mỹ. Phim màu được phát triển lần đầu trong thời kỳ này nhưng rất ít sử dụng cho mãi đến chiến tranh thế giới thứ 2. Một vài lĩnh vực nghiên cứu khoa học đã khởi xướng và tạo nền tảng cho công nghệ viễn thám sau này. Chiến tranh thế giới thứ 2 đã tạo tiền đề cho việc phát triển nhanh công nghệ viễn thám. Việc phân tích ảnh trên không phục vụ cho trinh sát quân sự lại được áp dụng. Công nghệ giải đoán ảnh trở nên tinh vi và đóng vai trò quan trọng cho những nghiên cứu vùng ven biển. Khả năng chụp xuyên qua nước, đặc biệt là ảnh màu đã tạo điều kiện thuận tiện cho việc thu thập thông tin về độ sâu, chướng ngại vật trên nền đáy biển khi mà bản đồ hàng hải có thể không có. Những thước phim hồng ngoại đã xuất hiện trong thời gian chiến tranh nhằm phát hiện quân ngụy trang. Mạng lưới Rada được dựng lên vào những năm 1940 để cung cấp sớm những cảnh báo cho máy bay. Tiến bộ của công nghệ rada cho phép 84 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS phát triển giám sát và nhận ra những thiết bị trong phạm vi hẹp. Rada cung cấp hình ảnh thực địa hình và vị trí mục tiêu nhưng độ chính xác phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và ánh sáng. Rada giúp xác định vị trí để ném bôm kể cả ban đêm, trong điều kiện thời tiết xấu, nó cũng rất hữu ích cho hàng hải ven biển. Trong những năm 1950 hệ thống ảnh hồng ngoại được phát triển, nó cung cấp hình ảnh bức xạ của vật thể và địa vật. Hệ thống hồng ngoại không phụ thuộc vào ánh sáng nhưng nó không thể vượt qua đám mây. Trong thời gian này Side Looking Airborne Radar (SLAR) phát triển đã cải thiện được những hạn chế của PPI Rada. Cả hai hệ thống thiết kế sử dụng trong quân sự do vậy nó chỉ hoạt động vài năm trong lĩnh vực dân sự. Năm 1957, U.S.S.R (Liên Xô) đã tung ra SPUTNIK-1, đánh dấu sự bắt đầu của ‘thời đại không gian’. Năm 1959, vệ tinh EXPLORER-6 của US đã truyền hình ảnh của trái đất được chụp từ vệ tinh. Vệ tinh khí tượng đầu tiên của thế giới TIROS-1 được phóng vào năm 1960, nó là tiền thân của những vệ tinh thời tiết thời nay. Những vệ tinh trong không gian có vai trò đặc biệt trong việc tạo ra nhận thức cho con người về khả năng lập bản đồ và giám sát mặt đất từ dữ liệu của những vệ tinh này. Những bức ảnh đầu tiên về trái đất được chụp từ vệ tinh đã mang đến sự ngạc nhiên cho mọi người bởi tính chi tiết về đặc điểm trên mặt đất trong phạm vi rộng lớn. Sau này, Mỹ và Liên Xô đã đưa những Camera và máy quét đặc biệt để chụp ảnh phục vụ cho đánh giá tài nguyên. Trong khi chứng minh những giá trị của hình ảnh không gian, họ sớm nhận ra vệ tinh này không có tính toàn cầu. Những hạn chế trên đã được khắc phục phần lớn bằng việc phát triển hàng loạt vệ tinh tài nguyên trái đất LANDSAT của Mỹ. Vệ tinh này hoạt động ở quỹ đạo thấp. LANDSAT và những hệ thống tương tự sau này đã cung cấp ảnh không gian với mức chi tiết hơn và giúp ích cho những nghiên cứu trên biển, cho dù thời gian xuất hiện của nó ít. Ngoài những vệ tinh đang hoạt động trong không gian, đã có một hệ thống đang được thử nghiệm để giám sát môi trường biển. Trong số này, nổi bậc nhất là vệ tinh NIMBUS-7 dùng chụp ảnh màu về vùng ven biển - Coastal Zone Colour Scanner (CZCS) và vệ tinh SEASAT với những bộ cảm biến chuyên dụng để nghiên cứu biển. Trong một vài năm gần đây, Liên Xô và Mỹ đã có những vệ tinh viễn thám riêng cho họ. Máy bay vẫn còn đóng vai trò chính trong viễn thám vì tính linh hoạt về độ cao, lịch trình và khả năng bổ sung cảm biến dễ dàng. Tùy thuộc vào yêu cầu thông tin của người sử dụng và nguồn lực sẵn có, máy bay phù hợp với nghiên cứu viễn thám có tính thay đổi về độ cao, động cơ …. Máy bay còn được sử dụng để thử nghiệm các bộ cảm biến trước khi đưa lên vệ tinh. Những tiến bộ nhanh chóng của công nghệ máy tính đã có những ảnh hưởng lên tất cả các khía cạnh của Viễn Thám. Sự quan tâm nhất của người sử dụng đó sự phát triển công nghệ xử lý ảnh phục vụ cho phân tích dữ liệu; chương trình máy tính để nắn ảnh, nâng cao chất lượng và khai thác dữ liệu; tốc độ xử lý của máy tính cho phép một ngươig dùng có thể thực hiện phân tích dữ liệu ở một khu vực rộng lớn trong một thời gian ngắn. Với những tiến bộ trong công nghệ thu thập và phân tích dữ liêu. Ngày nay, Viễn thám cũng đang gặp thách thức lớn đó là làm sao cung cấp những thông tin tiện 85 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS lợi, kịp thời đến người cần nó. Điều này cần có cơ sở hạ tầng để truy cập, xử lý, phân phối và có một cộng đồng có thể áp dụng nó cho mục đích của mình. Ở Việt Nam Công nghệ viễn thám đã được ứng dụng ở Việt Nam từ những năm 70 của thế kỷ 20. Thời gian đầu là một vài cơ quan ở trong nước đã thu nhận ảnh vệ tinh phục vụ cho các ứng dụng thuộc lĩnh vực địa chất và lâm nghiệp. Thời gian tiếp theo, những ứng dụng được mở rộng thêm cho các lĩnh vực khác như là nông nghiệp, giám sát môi trường và thiên thai, quy hoạch, nghiên cứu khoa học… Trong khoảng thời gian từ 1979 đến 1980 một vài tổ chức ở Việt Nam đã bắt đầu nắm bắt công nghệ viễn thám. Trong 10 năm tiếp theo, viễn thám đã được mở rộng cho những nghiên cứu và thí nghiệm để xác định phương pháp và khả năng sử dụng dữ liệu viễn thám cho việc giải quyết nhiệm vụ an sinh xã hội ở Việt Nam. Giai đoạn 1990-1995, bên cạnh tiếp tục việc mở rộng những nghiên cứu và thí nghiệm, nhiều lĩnh vực đã sử dụng công nghệ viễn thám vào trong những ứng dụng của cuộc sống và đã gặt hái được những kết quả có ý nghĩa về công nghệ, khoa học và kinh tế. Hiện nay, một số tổ chức đã hoạt động một cách chuyên nghiệp trong lĩnh vực viễn thám. Các tổ chức này tập trung nhiều ở cơ quan nhà nước và phân tán từ trung ương đến địa phương như là cán bộ ngành, cục, tỉnh, viện và trường đại học. Số lượng các cơ quan này gia tăng tới hàng chục tổ chức với hàng trăm cán bộ làm nhiệm vụ trong lĩnh vực viễn thám. Các cán bộ này được đào tạo cả trong và ngoài nước. Công nghệ viễn thám đã trở nên một trong những công cụ được sử dụng phổ biến ở Việt Nam cho nghiên cứu khoa học, quản lý và tạo bản đồ tài nguyên thiên nhiên. Công nghệ viễn thám đã được đầu tư tổ chức trong Bộ tài nguyên và môi trường như trung tâm viễn thám, viện nghiên cứu địa chất và khoáng sản đã nghiên cứu nhiều đề tài liên quan tới viễn thám. Mục đích của chúng là để nâng cao chất lwngj và hiệu quả những nghiên cứu cơ bản. Nhiều dự án nghiên cứu khoa học về công nghệ viễn thám được thiện hiện tại viện khoa học và công nghệ Việt Nam và những trường đại học về các lĩnh vực về biển, sinh thái, khoa học trái đất, nghiên cứu môi trường và quy hoạch. Từ thời gian bắt đầu đến nay, những tổ chức tham gia vào hoạt động trong lĩnh vực viễn thám ở Việt Nam đã thu thập được nhiều dữ liệu viễn thám từ những ngụồn khác nhau với những thời điểm khác nhau và đa dạng về loại ảnh. Tuy nhiên, dữ liệu ảnh viễn thám phổ biến nhất là ảnh vệ tinh có độ phân giải thấp và trung bình (độ phân giải trong khoảng 5-20m). Mục đích chính của việc sử dụng dữ liệu này là để phục vụ cho những nghiên cứu và ứng dụng chỉ đòi hỏi độ chính xác trung bình và thấp như quản lý tài nguyên môi trường, giám sát biến động môi trường và nguồn tài nguyên thiên nhiên, cập nhật thông tin cho các bản đồ tỷ lệ nhỏ và trung bình hoặc các bản đồ chuyên đề. Những phương pháp để giải đoán và phân loại những đối tượng và thông tin là những phương pháp thủ công được dựa trên những kinh nghiệm và kiến thức của chuyên gia trong lĩnh vực giải đoán ảnh hàng không. Từ những năm cuối của thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 nhiều tổ chức, viện nghiên cứu đã ứng dụng những phương pháp dựa trên pixel cho việc phân loại một cách tự động như là phương pháp hình hộp, khoảng cách ngắn nhất, phương pháp xác suất nhất. Gần đây, các tổ chức đã bắt đầu sử dụng các ảnh có độ phân giải không gian cao (độ phân giải nhỏ hơn 5m) đến những ứng dụng mới đòi hỏi độ chính xác cao như cập nhật dữ liệu không gian cho bản đồ tỷ lệ lớn. Tuy nhiên, việc phân loại, trích lọc 86 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS thông tin từ những phương pháp cũ đã thể hiện nhiều vấn đề như là hiện tượng muối và tiêu rất nhiều, hay rất khó phân loại các đối tượng theo mục đích sử dụng và để giải quyết vấn đề này các tổ chức đã sử dụng lại phương pháp trích lọc thông tin trên ảnh bằng phương pháp thủ công. Thấy được sự phát triển nhanh và cấp thiết về ứng dụng công nghệ viễn thám trong cuộc sống, sự phát triển kinh tế xã hội trên thế giới. Chính phủ nước ta đã có những định hướng cho sự phát triển công nghệ vũ trụ. Ngày 14/6/2006, thủ tướng chính phủ đã ra quyết định về ‘chiến lược nghiên cứu và ứng dụng công nghệ vũ trụ đến năm 2020’. Trong giai đoạn 2006-2010, đẩy mạnh chiều rộng và chiều sâu 4 lĩnh vực trong đó có viễn thám. Ứng dụng viễn thám vào các ngành khí tượng thủy văn, tài nguyên và môi trường cụ thể lạ nâng cao chất lượng dự báo sớm mưa bão, lũ, lũ quét, sạc lở đật và các loại thiên tai khác, đánh giá biến đổi khí hậu toàn cầu đến Việt Nam. Định kỳ đánh giá biến động sử dụng đất đai, xây dựng cơ sở dữ liệu bản đồ chuyên đề số hóa dùng chung cho nhiều cơ quan từ trung ương đến địa phương. Với các ngành nông nghiệp, thủy sản, điều tra tài nguyên thì mở rộng ứng dụng viễn thám trong việc xây dựng quy trình dự báo sản lượng lúa các vùng trồng lúa trọng điểm, dự báo lũ lụt, khô hạn, cháy rừng; trong quy hoạch nuôi trồng thủy sản và đánh bắt hải sản; trong nghiên cứu các hiện tượng tài nguyên dầu khí, nước ngầm …. Từ năm 2011 đến 2020 đưa vào ứng dụng tại Việt Nam các thành tựu mới của vệ tinh quan sát trái đất độ phân giải rất cao, vệ tinh định vị có độ chính xác rất cao, thiết bị mặt đất gọn nhẹ tích hợp nhiều chức năng. Bên cạnh đó thành lập Ủy ban vũ trụ Việt Nam và Viện công nghệ vũ trụ để tập trung xây dựng khung pháp lý, phát triển cơ sở hạ tầng, phần cứng, phần mềm và nguồn nhân lực cho việc phát triển các ứng dụng của công nghệ vũ trụ ở Việt Nam. 2. Định nghĩa Viễn thám Nói một cách nôm na trong “viễn thám” có hai từ “viễn” và “thám”. “Viễn” có nghĩa là xa, từ xa, không tiếp xúc với đối tượng. “Thám” có nghĩa là tìm hiểu, lấy thông tin về đối tượng. Ta có thể hiểu một cách đơn giản viễn thám là một ngành khoa học nghiên cứu đối tượng mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng. Trong tiếng Anh, viễn thám là “remote sensing”, thường được viết tắt là RS. Nếu nói một cách khoa học thì chúng ta có thể dùng định nghĩa sau: Viễn thám là một khoa học thu nhận thông tin của bề mặt trái đất mà không tiếp xúc trực tiếp với bề mặt ấy. Điều này được thực hiện nhờ vào việc quan sát và thu nhận năng lượng phản xạ, bức xạ từ đối tượng và sau đó phân tích, xử lý, ứng dụng những thông tin nói trên (theo CCRS). 3. Nguyên lý làm việc của RS Sóng điện từ được phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể là nguồn cung cấp thông tin chủ yếu về đặc tính của đối tượng. Ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước xóng đã xác định. Đo lường và phân tích năng lượng phản xạ phổ ghi nhận bởi ảnh viễn thám cho phép tách thông tin hữu ích về từng loại lớp phủ mặt đất khác nhau do sự tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể. Một thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là ‘bộ cảm biến – Sensors’. Bộ cảm biến có thể là các máy chụp ảnh hoặc máy 87 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS quét. Phương tiện mang các sensors được gọi là ‘vật mang’. Vật mang có thể là máy bay, khinh khí cầu, tàu con thoi hay vệ tinh….hình 3.1 thể hiện một số vật mang: (a) (b) (c) (d) (e) (f) Hình 3.1: (a-IKONOS 2), (b-OrbView 2 (SeaStar)), (c-EROS A1) , (d-NOAA 12, 14, 16), (e-RADARSAT 1), (f-SPOT 1, 2, 4) Hình 3.2: Nguyên lý thu thập dữ liệu ảnh viễn thám 88 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS Nguồn năng lượng chính thường sử dụng trong viễn thám là bức xạ mặt trời, năng lượng của sóng điện từ do các vật thể phản xạ hay bức xạ được thu nhận bởi bộ cảm biến đặt trên vật mang. Thông tin về năng lượng phản xạ của các vật thể được ghi nhận bởi ảnh viễn thám và thông qua xử lý tự động trên máy hoặc giải đoán trực tiếp từ ảnh dựa trên kinh nghiệm của chuyên gia. Cuối cùng, các dữ liệu hoặc thông tin liên quan đến các vật thể và hiện tượng khác nhau trên mặt đất sẽ được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nông lâm nghiệp, khí tượng, môi trường, địa chất, thủy sản… Hình 3.3, thể hiện sơ đồ quy trình công nghệ cơ bản được sử dụng trong việc tách thông tin hữu ích từ ảnh viễn thám Hình 3.3: Nguyên lý thu nhận và quy trình xử lý dữ liệu viễn thám Toàn bộ quá trình thu nhận và xử lý ảnh viễn thám có thể chia thành 5 thành phần cơ bản sau: - Nguồn cung cấp năng lượng. - Sự tương tác của năng lượng với khí quyển. - Sự tương tác với các vật thể trên bề mặt trái đất. - Chuyển đổi năng lượng phản xạ từ vật thể thành dữ liệu ảnh số bởi bộ cảm biến. - Hiển thị ảnh số cho việc giải đoán và xử lý. 4. Những thành phần trong RS Hệ thống viễn thám thường bao gồm 7 phần tử có quan hệ chặt chẽ với nhau. Theo trình tự hoạt động của hệ thống, chúng thể hiện như hình 3.4: Nguồn năng lượng (A): Thành phần đầu tiên của một hệ thống viễn thám là nguồn năng lượng để chiếu sáng hay cung cấp năng lượng điện từ tới đối tượng quan tâm. Có loại viễn thám sử dụng năng lượng mặt trời, có loại tự cung cấp năng lượng tới đối tượng. Thông tin viễn thám thu thập được là dựa vào năng lượng từ đối tượng đến Hình 3.4: Những thành phần trong RS 89 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS thiết bị nhận, nếu không có nguồn năng lượng chiếu sáng hay truyền tới đối tượng sẽ không có năng lượng đi từ đối tượng đến thiết bị nhận. Những tia phát xạ và khí quyển (B): Vì năng lượng đi từ nguồn năng lượng tới đối tượng nên sẽ phải tác qua lại với vùng khí quyển nơi năng lượng đi qua. Sự tương tác này có thể lặp lại ở một vị trí không gian nào đó vì năng lượng còn phải đi theo chiều ngược lại, tức là từ đối tượng đến bộ cảm. Sự tương tác với đối tượng (C): Một khi được truyền qua không khí đến đối tượng, năng lượng sẽ tương tác với đối tượng tuỳ thuộc vào đặc điểm của cả đối tượng và sóng điện từ. Sự tương tác này có thể là truyền qua đối tượng, bị đối tượng hấp thu hay bị phản xạ trở lại vào khí quyển. Thu nhận năng lượng bằng bộ cảm (D) Sau khi năng lượng được phát ra hay bị phản xạ từ đối tượng, chúng ta cần có một bộ cảm từ xa để tập hợp lại và thu nhận sóng điện từ. Năng lượng điện từ truyền về bộ cảm mang thông tin về đối tượng. Sự truyền tải, thu nhận và xử lý (E) Năng lượng được thu nhận bởi bộ cảm cần phải được truyền tải, thường dưới dạng điện từ, đến một trạm tiếp nhận-xử lý nơi dữ liệu sẽ được xử lý sang dạng ảnh. Ảnh này chính là dữ liệu thô. Giải đoán và phân tích ảnh (F): Ảnh thô sẽ được xử lý để có thể sử dụng được. Để lấy được thông tin về đối tượng người ta phải nhận biết được mỗi hình ảnh trên ảnh tương ứng với đối tượng nào. Công đoạn để có thể “nhận biết” này gọi là giải đoán ảnh. Ảnh được giải đoán bằng một hoặc kết hợp nhiều phương pháp. Các phương pháp này là giải đoán thủ công bằng mắt, giải đoán bằng kỹ thuật số hay các công cụ điện tử để lấy được thông tin về các đối tượng của khu vực đã chụp ảnh. Ứng dụng (G): Đây là phần tử cuối cùng của quá trình viễn thám, được thực hiện khi ứng dụng thông tin mà chúng ta đã chiết được từ ảnh để hiểu rõ hơn về đối tượng mà chúng ta quan tâm, để khám phá những thông tin mới, kiểm nghiệm những thông tin đã có ... nhằm giải quyết những vấn đề cụ thể. 5. Yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng sóng điện từ Năng lượng của sóng điện từ khi lan truyền qua môi trường khí quyển sẽ bị các phần tử khí hấp thụ dưới các hình thức khác nhau tùy thuộc vào từng bước sóng cụ thể. Trục ngang trong hình 3.5 thể hiện giá trị bước sóng và trục đứng thể hiện % năng lượng ứng với từng bước sóng cụ thể khi truyền qua khí quyển. Các vùng phổ mà không bị ảnh hưởng mạnh bởi môi trường khí quyển (còn được gọi là cửa sổ khí quyển) sẽ được chọn để sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám. Các bước sóng ngắn hơn 0,3µm hầu như bị hấp thụ bởi tầng Ôzôn, nhưng vùng ánh sáng khả kiến do mặt trời cung cấp rất ít bị hấp thu bởi khí quyển và năng lượng sóng điện từ ứng với bước sóng 0,5µm có ưu thế cho việc thu nhận ảnh viễn thám. Bức xạ nhiệt của trái đất có năng lượng cao nhất tại bước sóng 10µm trong vùng cửa số khí quyển và sóng vô tuyến cao tần với bước sóng lớn hơn 1mm cũng rất ít bị hấp thu bởi khí quyển. Do đó, ảnh viễn thám nhận được thường dựa vào sự đo lường năng lượng phản xạ của sóng điện từ nằm trong vùng sóng vô tuyến cao tần (ảnh Rada) là trường hợp ngoại lệ không sử dụng năng lượng mặt trời. 90 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS Hình 3.5: Vùng phổ sử dụng trong viễn thám ít bị hấp thu năng lượng bởi khí quyển Trong viễn thám, người ta thường quan tâm đến khả năng lan truyền sóng điện từ trong khí quyển, vì các hiện tượng và cơ chế tương tác giữa sóng điện từ với khí quyển sẽ có tác động mạnh đến thông tin được thu nhận bởi bộ cảm biến. Khí quyển có đặc điểm quan trọng đó là tương tác khác nhau đối với bức xạ điện từ có bước sóng khác nhau. Đối với viễn thám quang học, nguồn năng lượng cung cấp chủ yếu là do mặt trời và sự có mặt cũng như thay đổi các phân tử nước và khí (theo không gian và thời gian) có trong lớp khí quyển là nguyên nhân chủ yếu gây nên sự biến đổi năng lượng phản xạ từ mặt đất đến bộ cảm biến. Khoảng 75% năng lượng mặt trời khi chạm đến lớp ngoài của khí quyển được truyền xuống mặt đất và trong quá trình lan truyền sóng điện từ luôn bị hấp thu, tán xạ và khúc xạ bởi khi quyển trước khi đến bộ cảm biến. Các loại khí như Oxy, Nitơ, Cacbonic, Ôzôn, hơi nước,… và các phần tử lơ lửng trong khí quyển là tác nhân chính ảnh hưởng đến sự suy giảm năng lượng sóng điện từ trong quá trình lan truyền. Để hiểu rõ hơn cơ chế tương tác giữa sóng điện từ và khí quyển, việc chọn phổ điện từ để sử dụng cho việc thu nhận ảnh viễn thám. Bảng 3.1 thể hiện đặc điểm của các dải phổ điện từ thường được sử dụng trong công nghệ viễn thám. Bảng 3.1: Đặc điểm của dải phổ điện từ sử dụng trong công nghệ viễn thám Dải phổ điện từ Bước sóng Đặc điểm Tia cực tím 0,3 ÷0,4µm Hấp thụ mạnh bởi khí quyển ở tầng cao (tầng Ôzôn), không thể thu nhận năng lượng do dải sóng này cung cấp nhưng hiện tượng này lại bảo vệ con người tránh bị tác động bởi tia cực tím Khả kiến 0,4÷0,76µm Rất ít bị hấp thu bởi Ôxy, hơi nước và năng lượng phản xạ cực đại ứng với bước sóng 0,5µm trong khí quyển. Năng lượng do dải sóng này cung cấp giữ vai trò quan trọng trong viễn thám 91 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS Hồng ngoại gần 0,77÷1,34µm Năng lượng phản xạ mạnh ứng với các bước sóng trung bình hồng ngoại gần từ 0,77÷0,9µm. Sử dụng trong 1,55÷2,4µm chụp ảnh hồng ngoại theo dõi sự biến đổi thực vật từ 1,55÷2,4µm Hồng nhiệt ngoại 3÷22µm Một số vùng bị hấp thụ mạnh bởi hơi nước, dải sóng này giữ vai trò trong phát hiện cháy rừng và hoạt động của núi lửa từ 3,5÷5µm. Bức xạ nhiệt của trái đất có năng lượng cao nhất tại bước sóng 10µm Vô (Rada) tuyến 1mm÷30cm Khí quyển không hấp thụ mạnh năng lượng các bước sóng lớn hơn 2cm, cho phép thu nhận năng lượng cả ngày lẫn đêm, không ảnh hưởng bởi mây, sương mù hay mưa. 6. Phân loại ảnh viễn thám Viễn thám có thể được phân thành 3 loại cơ bản ứng với vùng bước sóng sử dụng: a. Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại phản xạ Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời và ảnh viễn thám nhận được dựa vào sự đo lường năng lượng vùng ánh sáng khả kiến và hồng ngoại được phản xạ từ vật thể và bề mặt trái đất. Ảnh thu được bởi công nghệ viễn thám này được gọi chung là ảnh quang học. b. Viễn thám hồng ngoại nhiệt Nguồn năng lượng sử dụng là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản sinh ra, hầu như mỗi vật thể trong nhiệt độ bình thường đều tự phát ra một bức xạ. Ảnh thu được bởi công nghệ viễn thám này gọi là ảnh nhiệt Hình 3.6: Nguồn năng lượng chính là bức xạ mặt trời c. Viễn thám siêu cao tần Trong viễn thám siêu cao tần, hai loại kỹ thuật chủ động và bị động đều được áp dụng. Viễn thám bị động ghi lại năng lượng sóng vô tuyến cao tầng với bước sóng lớn hơn 1mm mà được bức xạ tự nhiên hoặc phản xạ từ một số đối tượng. 92 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS Trong hình 3.7a: Năng lượng nhận được có thể là từ bức xạ của khí quyển (1); phản xạ từ mặt đất (2); bức xạ do chính vật thể phát ra (3) hay dựa vào bức xạ của mặt đất (4). Vì có bước sóng dài nên năng lượng thu nhận được của công nghệ viễn thám siêu cao tần bị động thấp hơn so với viễn thám trong dải sóng khả kiến. Đối với viễn thám siêu cao tần chủ động (Radar – Radio detection and ranging), vệ tinh cung cấp năng lượng riêng và phát trực tiếp đến các vật thể, rồi thu lại năng lượng do sóng phản xạ lại từ các vật thể. Cường độ năng lượng phản xạ được đo lường để phân biệt giữa các đối tượng với nhau. Ảnh thu được bởi kỹ thuật kiễn thám này được gọi là ảnh Rada, hai loại công nghệ viễn thám siêu cao tần (bị động và chủ động) thường được sử dụng trong việc tạo ảnh rada được thể hiện hình 3.7. Hình 3.7: (a-viễn thám bị động) (b, c- viễn thám chủ động) 7. Tổng thể về vật mang Để bộ cảm biến thu nhận năng lượng bức xạ và phát xạ từ các vật thể trên bề mặt đất tạo ra ảnh quang học hay ảnh rada, các bộ cảm biến được bố trí trên vật mang là một phương tiện dùng để đưa các bộ cảm đến một độ cao và vị trí mong muốn sao cho việc thu nhận thông tin từ mặt đất đạt hiệu quả nhất, đáp ứng cho nhiều mục đích ứng dụng khác nhau. Vệ tinh và máy bay là những vật mang cơ bản thường được sử dụng trong viễn thám. Chụp ảnh từ máy bay (tạo ảnh hàng không) có thể xem là dạng đầu tiên của viễn thám và tồn tại như một phương pháp được sử dụng khá rộng rãi trong thành lập bản đồ địa hình và chuyên đề phục vụ công tác quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường cũng như quy hoạch và quản lý độ thị… Ngoài ra còn có nhiều loại vật mang khác có độ cao hoạt động từ vài chục mét trở lên như thang trượt của các cần cẩu, máy bay không người lái,… để chụp ảnh các khu vực nhỏ trên mặt đất, khinh khí cầu cùng để nghiên cứu nhiều đối tượng khác nhau, tàu con thôi thực hiện theo các chương trình thí nghiệm khác nhau. (a) (b) (c) (d) Hình 3.8: Các dạng vật mang được sử dụng trong công nghệ viễn thám 93 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS Vệ tinh nhân tạo bao gồm những vật mang được phóng vào không gian và chuyển động theo những quỹ đạo nhất định phục vụ công tác liên lạc viễn thông, định vị và hàng hải, thám sát khí tượng và quan sát mặt đất…. Vệ tinh viễn thám cho phép nhìn thấy một vùng rộng trên mặt đất bao gồm tất cả các đối tượng và có ưu thế là cung cấp ảnh đa phổ, đa thời gian cho toàn thế giới. Ảnh vệ tinh có các ưu điểm sau: - Bao phủ một vùng rộng lớn trên trái đât - Khu vực cần nghiên cứu được chụp lặp lại thường xuyên nhiều lần theo chu kỳ. - Ảnh được xử lý và phân tích trên máy tính - Chi phí tương đối thấp tính trên một đơn vị diện tích vùng phủ của ảnh. Tuy nhiên, ảnh vệ tinh có độ phân giải mặt đất thấp hơn so với ảnh hàng không. Hiện nay, trên thị trường chỉ cung cấp ảnh vệ tinh có độ phân giải cao nhất là 0,6m nhưng trong tương lai gần với việc phóng các vệ tinh thương mại sẽ cho phép cung cấp các ảnh có độ phân giải cao hơn rất nhiều. Tuy nhiên, giá thành của ảnh viễn thám độ phân giải cao thường là yếu tố chính trong việc chọn lựa giữa các nhà cung cấp loại ảnh vệ tinh. Hình 3.9 thể hiện các vệ tinh nhân tạo thông dụng đang được sử dụng trong công nghệ viễn thám có quỹ đạo hoạt động và độ phân giải khác nhau. Các vệ tinh nhân tạo thường chuyển động theo lộ trình đã được thiết kế trước sao cho phù hợp vứi khả năng và mục tiêu của bộ cảm biến được đặt trên vệ tinh. Lộ trình được thiết kế để vệ tinh chuyển động trong vũ trụ sẽ Hình 3.9 : Các vệ tinh nhân tạo được xác định bởi 6 thông số cơ bản theo định thông dụng đang được sử dụng luật Kepler áp dụng cho các vật thể chuyển động trong vũ trụ được gọi là quỹ đạo của vệ tinh. Sự lựa chọn quỹ đạo tùy thuộc vào giá trị của tập hợp các thông số cơ bản này; thông thường các vệ tinh khác nhau sẽ chuyển động theo những quỹ đạo khác nhau được phân biệt bởi: - Những độ cao khác nhau sơ với mặt đất - Theo quỹ đạo elip nằm trong một mặt phẳng có góc nghiêng khác nhau so với mặt phẳng chứa xích đạo. - Theo thời gian vệ tinh di chuyển hoàn tất một vòng quay trên quỹ đạo, còn được gọi là chu kỳ của quỹ đạo. - Theo khoảng thời gian cố định mà vệ tinh trở lại đúng vị trí chụp ảnh ban đầu, còn được gọi là chu kỳ lặp lại của vệ tinh (do bộ cảm biến có trường nhìn cố định, nên khi vệ tinh di chuyển sẽ tạo nên tuyến chụp trên mặt đất có bề rộng cố định còn được gọi là độ rộng của tuyến chụp. Vì trái đất quay nên vệ tinh sẽ chụp ảnh theo tuyến khác trên mặt đất sau mỗi chu kỳ tiếp theo, sau khoảng thời gian cố định vệ tinh sẽ lặp lại vị trí ban đầu và thời gian này được gọi là tần suất lặp lại hay chu kù lặp). 94 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS Cao độ vệ tinh ảnh hưởng đến độ phân giải mặt đất của ảnh khi khả năng của bộ cảm biến là cố định, chu kỳ lặp lại của vệ tinh giữ vao trò rất quan trọng trong việc cung cấp ảnh đa thời gian phục vụ công tác giám sát liên tục các biến động trên bề mặt đất. Hình 3.10 minh họa quỹ đạo, tuyến chụp và khả năng chụp phủ toàn bộ mặt đất của vệ tinh khi lựa chọn các thông số cơ bản của quỹ đạo để phù hợp với khả năng và mục tiêu của bộ cảm biến được đặt trên vệ tinh. (a) (b) (c) (d) Hình 3.10 (a) Quỹ đạo của vệ tinh nhân tạo (b) Tuyến chụp tạo ra khi vệ tinh di chuyển (c) Tuyến mới được tạo ra do trái đất quay (d) Vùng chụp trên mặt đất của vệ tinh Nhìn chung dựa theo quỹ đạo chuyển động của vệ tinh so với trái đất và mặt trời có thể chia quỹ đạo vệ tinh thành các loại cơ bản sau: Quỹ đạo đồng bộ trái đất: là quỹ đạ mà vệ tinh chuyển động cùng một vận tốc gốc với trái đất, nghĩa là vệ tinh quay một vòng trên quỹ đạo mất khoảng thừi gian 24giờ hay 86164,1 giây. Vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo đồng bộ trái đất và nếu mặt phẳng quỹ đạo trùng với mặt phẳng chứa xích đạo (có góc nghiên bằng không) được gọi là quỹ đạo địa tĩnh. Các vệ tinh địa tĩnh có độ cao khoảng 36000km và luôn treo lơ lửng tại một điểm trên không trung (đứng yên so với bề mặt trái đất). Do vậy, vệ tinh địa tĩnh cho phép quan sát và thu thập thông tin liên tục trên một vùng cụ thể và được 95 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS sử dụng thích hợp vào mục đích quan sát khí tượng hoặc truyền tin… Với độ cao lớn, các vệ tinh khí tượng địa tĩnh có thể giám sát thời tiết và dạng mây bao phủ trên toàn bộ bán cầu của trái đất. Quỹ đạo đồng bộ mặt trời: là quỹ đạo cho phép vệ tinh chuyển động theo hướng Bắc – Nam kết hợp với chuyển động quay của trái đất (Tây – Đông) sao cho vệ tinh luôn luôn nhìn được bề mặt trái đất tại thời điểm có sự chiếu sáng tốt nhất của mặt trời. Như vậy góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo này gần với góc nghiêng của trục quay của trái đất (so với mặt phẳng xích đạo) nên còn được gọi là quỹ đạo gần cực. Những vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo đồng bộ mặt trời sẽ thu thập thông tin trên vùng nào đó của trái đất theo giờ địa phương nhất định và vị trí của vệ tinh sẽ thay đổi theo điều kiện chiếu sáng của mặt trời trong một năm. Loại quỹ đạo này đảm bảo điều kiện chiếu sáng của mặt trời là như nhau khi thu thập ảnh vệ tinh trên cùng khu vực cụ thể theo các ngày và từng mùa khác nhau trong năm. Các vệ tinh tài nguyên thường sử dụng quỹ đạo đồng bộ mặt trời vì có ưu điểm luôn tạo được một điều kiện chiếu sáng ổn định. Đây là yếu tố quan trọng cho việc giám sát sự thay đổi giá trị phổ giữa các ảnh mà không cần hiệu chỉnh do điều kiện chiếu sáng khác nhau. Quỹ đạo có chu kỳ lặp lại một ngày và nhiều ngày: là những quỹ đạo mà cho phép vệ tinh trở lại điểm đỉnh đầu trên khu vực chụp ảnh trong cùng một ngày hoặc sau nhiều ngày. Hình 3.11: Minh hoạc các quỹ đạo cơ bản cho phép vệ tinh có khả năng thu thập thông tin mặt đất. (a) (b) (c) Hình 3.11: a-Qũy đạo đồng bộ trái đất, b-quý đạo đồng bộ mặt trời, c-các quỹ đạo cơ bản 8. Tổng quan bộ cảm biến Bộ cảm biến chỉ thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể theo từng bước sóng xác định. Năng lượng sóng điện từ sau khi tới được bộ cảm biến chuyển thành tín hiệu số (chuyển đổi tín hiệu điện thành một số nguyên hữu hạn gị là giá trị Pixel) tương ứng với năng lượng bức xạ ứng với từng bước sóng do bộ cảm biến nhận được trong dải phổ đã xác định. Máy quét với trường nhìn không đổi (instantaneous field of view –IFOV) (góc nhìn không gian tương ứng giữa một pixel với một đơn vị chia mẫu trên bề mặt đất) được sử dụng để tạ ảnh hai chiều của bề mặt đất dựa trên sự phối hợp chuyển động vật mang và hệ thống quét vuông góc với hướng bay. Lượng thông tin về năng lượng bức xạ ghi được trong IFOV sẽ được bộ cảm biến đổi thành giá trị của pixel. Hệ thống quét sử dụng để ghi nhận năng lượng bức xạ ứng với các bước sóng khác nhau trong gải tần đã xác định (từ cực tím đến hồng ngoại) được gọi là hệ thống quét đa phổ. Hai phương pháp quét cơ bản thường được sử dụng trong việc tạo ảnh đa phổ đó là quét vuông góc với tuyến chụp và quét dọc tuyến chụp. 96 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS Quét vuông góc với tuyến chụp Gương quay (A) chuyển động trong mặt phẳng vuông góc với đường bay được sử dụng để dịch chuyển trường nhìn không đổi IFOV tạo thành dòng quét vuông góc với hướng di chuyển của vệ tinh. Năng lượng phản xạ được phân chia ứng với từng bước sóng khác nhau (thông qua kính lọc phổ) được bộ tách sóng (B -Detectors) đo lường năng lượng ứng vứi từng kênh phổ và chuyển thành giá trị số của từng pixel. Sau khi kết thúc dòng quét, gương quay trả vệ vị trí ban đầu để tạo dòng kế tiếp nhờ sự dịch chuyển đồng bộ của vệ tinh, kết quả nhận được ảnh vệ tinh là tập hợp của các dòng ảnh liên tiếp lên nhau. Trường nhìn không đổi IFOV (C) của bộ cảm biến và độ cao của vệ tinh xác định độ phân giải mặt đất (D) và góc nhìn tối đa (E) mà một bộ cảm biến có thể thu được sóng điện từ (được quét bởi gương quay) được gọi là trường nhìn (field of view – FOV). Khoảng cách không gian trên mặt đất do FOV tạo nên tương ứng với độ cao của vệ tinh chính là bề rộng tuyến chụp (F) và còn được sử dụng để xác định bề rộng của ảnh vệ tinh. Hình 3.12: Tạo ảnh đa phổ theo phương pháp quýet vuông góc với tuyến chụp Quét dọc tuyến chụp Quét dọc tuyến chụp sử dụng các hệ thống quét điện tử hoặc bộ tách sóng mảng tuyến tính để ghi nhận năng lượng bức xạ ứng với dòng quét cố định vuông góc với phương chuyển động của vệ tinh. Bộ tách sóng mảng tuyến tình (A) được xây dựng tại mặt phẳng tạo ảnh (B) của hệ thống lăng kính (C) cho phép tạo thành dòng quét vuông góc với hướng di chuyển của vệ tinh. Mỗi bộ tách sóng riêng biệt (detector – diod quang điện) đo lường năng lượng phản xạ ứng với từng Pixel (D) được phân chia ứng với từng bước sóng khác nhau (thông qua kính lọc phổ). Trong phương pháp này, mỗi bộ tách sóng mảng tuyến tính riêng sẽ đảm nhiệm việc đo lường năng lượng ứng với từng kênh phổ và kích thước của IFOV ứng với bộ tách sóng riêng biệt sẽ xác định độ phân giải mặt đất của ảnh vệ tinh. Từ phương pháp cơ bản cho thấy, các phần tử của ảnh vệ tinh thường có dạng hình vuông và thể hiện một khu vực nào đó trên mặt đất. Điều quan trọng cần chú ý đó là phân biệt rõ ràng giữa kích thước của pixel ảnh với độ phân giải không gian, đối với ảnh vệ tinh điều này không phải tương ứng trong mọi trường hợp. Nếu bọ cảm biến có độ phân giải không gian là 20m và một ảnh thu được từ bộ cảm biến này được thể hiện đúng độ phân giải thì mỗi pixel tương ứng cho một điện tích 20x20m trên mặt đất. 97 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS Trong trường hợp này kích thước của pixel và độ phân giải không gian là như nhau. Tuy nhiên, các thiết bị hiển thị ảnh số có thể cho phép thể hiện với những kích thước pixel khác nhau so với độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh. Hình 3.13: Tạo ảnh đa phổ theo phương pháp quét dọc tuyến chụp Nói chung, ảnh chỉ thể hiện được những vật thể lớn gọi là ảnh có độ phân giải thấp, còn ảnh cho phép tách các đối tượng nhỏ và thấy đủ chi tiết trên mặt đất được gọi là ảnh có độ phân giải cao. Độ phân giải càng cao thì diện tích mặt đất được thể hiện trên ảnh càng nhỏ, hiên nay các bọ cảm biến đặt trên vệ tinh phục vụ cho mục đích quân sự được thiết kế sao cho thu được càng nhiều thông tin càng tốt, nên ảnh nhận được thường có độ phân giải cao hơn sơ với ảnh do các công ty thương mại cung cấp. Ngoài ra, khải niệm tỷ lệ ảnh cũng cho biết mức độ chi tiết được cung cấp bởi ảnh vệ tinh, đó là tỷ số giữa khoảng cách trên ảnh với khoẳng cách thực trên mặt đất. Nếu tỷ lệ ảnh là 1:100.000 thì một đối tượng có chiều dài 1cm trên ảnh sẽ có chiều dài thật trên mặt đất là 100.000cm (1km). Ảnh có tỷ lệ nhỏ khi tỷ số này nhỏ và ngược lại gọi là ảnh tỷ lệ lớn. 9. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản xạ phổ Phản xạ phổ ứng với từng loại lớp phủ mặt đất cho thấy có sự khác nhau do tương tác giữa bức xạ điện từ và vật thể. Điều này cho phép viễn thám có thể xác định hoặc phân tích được đặc điểm của lớp phủ thông qua việc đo lường phản xạ phổ. Bộ cảm biến thu nhận năng lượng sóng điện từ từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể theo từng bước sóng xác định. Năng lượng sóng điện từ trước khi tới được bộ cảm biến để chuyển thành tín hiệu số (chuyển đỏi tín hiệu điện thành một số nguyên hữu hạn gọi là giá trị của pixel) sẽ chịu tác động bởi các yếu tố cơ bản sau: 1. Tín hiệu nhận được sẽ mạnh hay yếu tùy thuộc vào cường độ của sóng phản xạ. Nếu thu nhận tín hiệu vào một ngày có bầu trời không mây, sẽ nhận được năng lượng mặt trời phản xạ từ cùng một vật thể mạnh hơn so với ngày có mây. 2. Năng lượng sóng phản xạ sẽ suy giảm nhiều do ảnh hưởng của khí quyển, nên độ cao của vệ tinh càng lớn thì tín hiệu thu được tại bộ cảm biến càng nhỏ. 3. Bộ cảm biến thu nhận năng lượng sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể theo từng bước sóng xác định nên bộ cảm biến có băng thông càng lớn sẽ thu nhận được nhiều năng lượng hữu ích để tạo tín hiệu mạnh, nhưng độ phân giải phổ sẽ thấp do khả năng của bộ tách sóng trong việc ghi nhận năng lượng ứng với từng bước sóng nhất định. 98 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS 4. Trường nhìn tức thời (IFOV) của bộ cảm biến và độ cao của vệ tinh quyết định độ phân giải mặt đất, nếu cao độ bay của vệ tinh là cố định. Chúng ta có thể thay đổi IFOV bằng cách tăng cường thấy kính phóng đại. Tuy nhiên, điều này dẫn đến giảm năng lượng sóng phản xạ đến các bộ tách sóng nên trường nhìn tức tới IFOV của bộ cảm biến thường phải được xây dựng sao cho nhỏ nhất có thể thực hiện được. 5. Do vệ tinh và trái đất luôn dịch chuển nên thời gian thu nhận tín hiệu phải được tính toán phù hợp để thu nhận tín hiệu tốt nhất, nghĩa là tỷ số giữa tín hiệu nhập và mức độ nhiễu càng lớn càng tốt. 6. Phương pháp quét dọc tuyến chụp cho phép cho phép tăng thời gian thu nhận tín hiệu nhưng do sư chênh lệch độ nhạy giữa các bộ tách sóng trên cùng một hàng nên thường bị xuất hiện nhiễu gây ra trên một hặc nhiều cột của ảnh. 10. Các vệ tinh viễn thám Vệ tinh khí tượng hay thời tiết: được sử dụng để dự báo hoặc giám sát điều kiện thời tiết, loại vệ tinh này sử dụng quỹ đạo địa tĩnh như GMS ( Geosynchronous Meteorological Satellite) của Nhật Bản bay ở độ cao 36.000 km hoặc ở tầng thấp hơn (850 km) với quỹ đạo cực như vệ tinh NOAA của Hoa Kỳ là thế hệ thứ 3 của vệ tinh khí tượng vận hành bởi National Oceanic and Administration (NOAA). Thế hệ đầu tiên là TIROS-1 ( Television and Infrared Observation Satellite -1) được phóng vào quỹ đạo năm 1960 phục vụ cho mục đích dự báo thời tiết trong dân sự, sau đó NASA (National Aeronautics and Space Administration) đã phóng vệ tinh ATS-1 (Applications Technology Satellite) vào năm 1966 cung cấp ảnh bán cầu cảu bề mặt trái đất và các lớp mây bao phủ (sau mỗi 30phút nhận được 1 ảnh). Hiện nay, đã có nhiều quốc gia đưa vệ tinh khí tượng vào quỹ đạo để sử dụng cho mục đích giám sát điều kiện thời tiết. Tuy nhiên, nhìn chung những vệ tinh này đều sử dụng bộ cảm biến có độ phân giải không gian thấp (so với vệ tinh quan sát tài nguyên mặt đất) bao phủ 1 vùng rộng và có độ phân giải thời gian khá cao nhằm cung cấp thường xuyên thông tin về độ ẩm của khí quyển, độ phủ của mây… nhằm dự báo điều kiện thời tiết toàn cầu. Vệ tinh quan sát mặt đất hay vệ tinh tài nguyên: được sử dụng để quan sát tài nguyên trên mặt đất như Lansat, SPOT có độ phân giải không gian trung bình hay độ phân giải cao như IKONOS, Quickbird. Tất cả đều sử dụng đồng bộ mặt trời, chụp trên nhiều kênh phổ và thường ở độ cao từ 700 ÷ 900 km nhằm thành lập bản đồ và giám sát biến động trên bề mặt đất. Ngoài ra, còn có các vệ tinh chuyên quan trắc vùng biển như MOS ( Marine Observation Satellite) của Nhật Bản để nghiên cứu môi trường biển, thế hệ đầu tiên được phóng vào năm 1987 với 3 thiết bị đo phổ chính MESSR, VTIR, MSR đã được ứng dụng khá hiệu quả trong việc xác định nhiệt độ mặt biển, hơi nước và màu nước biển, quan sát tuyết, băng và nhiệt độ bề mặt trái đất… Nhìn chung, xu thế của các vệ tinh hiện nay là được chế tạo gọn nhẹ, mang các bộ cảm biến đa mục tiêu và vận hành theo quỹ đạo cực đồng bộ mặt trời. 10.1. Các vệ tinh khí tượng a. Vệ tinh GOES ( Geostationary operational Environmental Satellite) Vệ tinh khí tượng GOES được thiết kế bởi NASA để cung cấp thường xuyên thông tin về điều kiện thời tiết của Hoa Kỳ và cho ảnh bề mặt đất với tỉ lệ nhỏ. 1 loạt các thế hệ của vệ tinh này được các nhà khí tượng sử dụng để giám sát và dự báo thời tiết trong hơn 20 năm qua. Thế hệ thứ nhất của vệ tinh bao gồm từ GOES-1 ( phóng 99 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS vào quỹ đạo năm 1975 ) đến GOES – 7 (năm 1992) nhằm đo lường nhiệt độ khí quyển, gió, độ ẩm và độ phủ của mây. Thế hệ thứ 2 bắt đầu từ GOES-8 (phóng vào quỹ đạo năm 1994) với nhiều cải tiến kĩ thuật đáng kể nhằm tảo ảnh thường xuyên hơn (15phút thu ảnh 1 lần), đọ phân giải không gian và bức xạ tốt hơn. Việc sử dụng sensor thu nhận đồng thời năng lượng phản xạ vùng phổ khả biến, hồng ngoại và rada cho phép rút ngắn thời gian dự báo, tạo ảnh cả ngày lẫn đêm và chụp ảnh tỷ lệ thu nhỏ ứng với vùng được chọn trước. Bảng 3.2 tổng kết các kênh chính được sử dụng của bộ cảm biến và khả năng ứng dụng ảnh GOES trong lĩnh vực theo dõi và dự báo thời tiết. Bảng 3.2: Các kênh chính được sử dụng và khả năng ứng dụng ảnh của vệ tinh GOES Kênh Bước sóng Độ phân giải Khả năng ứng dụng không gian (Km) µm Tách đám mây, vùng ô nhiễm, xác định 0,52 ÷ 0,72 1 1 mưa bão (khả biến) Xác định sương mù, phân biệt mây chứa nước, tuyết ban ngày, tách đấm 3,78 ÷ 4,03 2 4 cháy, núi lửa ban đêm, xác đinh nhiệt (sóng ngắn IR) độ đại dương Ước tính hàm lượng hơi nước, chuyển 3 4 6,47 ÷ 7,02 động của khí quyển Xác định giông, bão và mưa lớn 10,2 ÷ 11,2 4 4 (sóng dài IR) Xác định hơi nước, độ ẩm tầng thấp, 5 4 xác định nhiệt độ đại dương, tách bụi 11,5 ÷ 12,5 và tro phun trào bởi núi lửa. b.Vệ tinh Meteosat Đây cũng là vệ tinh khí tượng, đươc thiết kế phục vụ chương trình giám sát và dự báo thường xuyên điều kiện thời tiết của toàn thế giới, chương trình này bao gồm 7 vệ tinh do cơ quan hàng không gian châu âu thực hiện. Các Vệ tinh Meteosat lần lượt được đưa vào quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh từ năm 1997 (vệ tinh đầu tiên) đến nay là Meteosat-5 và 6 đang sử dụng bộ cảm biến VISSR (Visible ana Infrared band - VIS), 1 kênh hồng ngoại cung cấp thông tin về hơi nước chứa trong khí quyển và 1 kênh hồng ngoại nhiệt liên quan đến việc xác định nhiệt độ các đám mây để ước tính và dự báo lượng mưa. Trong trường hợp bầu trời không mây, ảnh nhiệt cho phép cug cấp thông tin về nhiệt độ đại dương và bề mặt đất. Ngoài ra, còn 1 số vệ tinh khí tượng đại tĩnh tương tự được các nước phóng lên quỹ đạo để thực hiện dự án WWW ( Worl Weather Watch) bởi WMO (Worl Meteorological Organization) từ năm 1991 như: INSAT (Ấn Độ), GMS (Nhật) kết hợp cùng Meteosat và GOES bao phủ toàn bộ trái đất. GMS-4 có bộ cảm VISSR (Visible and Infrared Scan Radiometer) với 2 kênh ở vùng ánh sáng khả biến và hồng ngoại nhiệt. VISSR quét bốn hàng cho kênh khả biến và 1 hàng cho kênh hồng ngoại nhiệt đồng thời từ Bắc đến Nam. Tổng số hàng quét là 10.000 cho kênh khả biến và 2.500 cho kênh hồng ngoại nhiệt. Ngoài ra, GMS còn có hệ thống các platform (DCP – Data Collection Platform) thu nhận dữ liệu không chỉ trên mặt đất mà còn tại các trạm ngoài khơi đại dương. 100 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS c. Vệ tinh NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) Vệ tinh NOAA có chu kì lặp là 101,4 phút, với góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với mặt phẳng xích đạo là 98,7 độ; vệ tinh chuyển động từ cực bắc cực Nam và cao độ so với mặt nước biển là 870km. Hai bộ cảm chính của NOAA là AVHRR/2 (Advanced Very High Resolution Radiometer) với trường nhìn tức thời IFOV là 1,1km và bề rộng tuyến chụp là 2800km và TOVS (TIROS – Operational Vertical Sounder) bao gồm 3 bộ cảm chính: HIRS/2 (High Resolution Infrared Sounder) có IFOV là 20km tương ứng với Swatch là 2200km và bộ cảm biến SSU (Stratospheric Sounding Unit) có IFOV là 147km với Swatch là 736km cùng với bộ cảm MSU (Microwave Sounding Unit) có IFOV là 110km với bề mặt tuyến chụp là 2347km. Vệ tinh NOAA cung cấp ảnh cho vùng phủ toàn cầu với cả 2 chức năng giám sát điều kiện thời tiết và cho ảnh bề mặt đất với tỷ lệ nhỏ. Bảng 3.3 thể hiện các kênh chính, bước sóng được sử dụng trong thu nhận ảnh và khả năng ứng dụng của ảnh vệ tinh NOAA Kênh 1 2 3 4 5 Bước sóng Độ phân giải không gian (km) µm 0,58 ÷ 0,68 1,1 (red) 0,725 ÷ 1,1 1,1 (near IR) 3,55 ÷ 3,93 1,1 (mid IR) 10,3 ÷ 11,3 1,1 (thermal IR) 11,5 ÷ 12,5 1,1 (thermal IR) Khả năng ứng dụng Giám sát băng, tuyết và mây Khảo sát nông nghiệp, thực phủ và nước Xác định nhiệt độ đại dương, núi lửa và cháy rừng Xác định nhiệt độ đại dương và độ ẩm của đất Xác định nhiệt độ đại dương và độ ẩm của đất 10.2. Vệ tinh giám sát tài nguyên a. Vệ tinh Landsat Vệ tinh Landsat là vệ tinh viễn thám tài nguyên đầu tiên được phóng lên quỹ đạo năm 1972, cho đến nay đã có 7 thế hệ vệ tinh Landsat đã được phóng lên quỹ đạo và dữ liệu đã được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Hiện nay ảnh vệ tinh Landsat được cung cấp từ 15 trạm thu nhằm phục vụ quản lý tài nguyên và giám sát môi trường. Landsat được NASA thiết kế đầu tiên như là thực nghiệm kiểm tra tính khả thi việc sử dụng bộ cảm biến đa phổ trong thu thập dữ liệu thám sát mặt đất. Sự thành công của Landsat nhờ vào việc kết hợp nhiều lên phổ để quan sát mặt đất, ảnh có độ phân giải không gian tốt và phủ 1 vùng khá rộng với chu kì lặp ngắn. Vệ tinh Landsat được thiết kế có bề rộng tuyến chụp là 185 km và có thời điểm bay qua xích đạo là 9:39 sáng. Dữ liệu cung cấp bởi 2 bộ cảm biến TM và MSS được chia thành các cảnh phủ 1 vùng trên mặt đất 185 x 170km được đánh số theo hệ quy chiếu toàn cầu gồm số liệu của tuyến và hàng. Các giá trị của pixel được mã hóa 8 bit, tức là cấp độ xám ở trong khoảng 0 ÷255. Đặc trưng chính của quỹ đạo và vệ tinh Landsat được thể hiện bởi các thông số sau: 101 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS Bảng 3.4: Đặc trưng chính của qũy đạo và vệ tinh Độ cao bay 915km (Landsat -1-3) 705km (Landsat-4-5-7) Quỹ đạo Đồng bộ mặt trời Chu kì lặp 18 ngày (Landsat -1-3) 16 ngày (Landsat-4-5-7) Thời gian hoàn tất chu kì quỹ đạo Khoảng 103 phút (Landsat -1-3) Khoảng 99 phút (Landsat-4,5,7) Năm phóng vào quỹ đạo 1972 Landsat 1; 1975 Landsat 2 1978 Landsat 3; 1982 Landsat 4 1984 Landsat 5, 1999 Landsat 7 Cả hai bộ cảm biến MSS (Multispectral Scanner) và TM (Trematic Mapper) sử dụng trên vệ tinh Landsat đều là máy quét quang cơ. Đặc trưng chính của Sensor và độ phân giải không gian của ảnh vệ tinh Landsat được thể hiện bởi các thong số sau: Bảng 3.5: Đặc trưng chính của sensor và độ phân giải không gian Tên Sensors của Kênh TM Thematic Mapper (Landsat 1, 5) Kênh 1 Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4 Kênh 5 Kênh 6 Kênh 7 MSS Multi spectral Scanner (Landsat 1, 5) Kênh 4 Kênh 5 Kênh 6 Kênh 7 EMT+ Enhanced Thematic Mapper, Plus (Landsat 7) Kênh 1 Kênh 2 Kênh 3 Kênh 4 Kênh 5 Kênh 6 Kênh 7 Kênh 8 (Pan) Bước sóng µm 0,45÷0,52 0,52÷0,60 0,63÷0,69 0,76÷0,90 1,55÷1,75 10,4÷12,5 2,08÷2,35 0,5÷0,6 0,6÷0,7 0,7÷0,8 0,8÷1,1 0,45÷0,52 0,52÷0,61 0,63÷0,69 0,75÷0,90 1,55÷1,75 10,4÷12,5 2,09÷2,35 0,52÷0,90 Loại Độ phân giải không gian Xanh lơ Lục Đỏ Hồng ngoại gần Hồng ngoại trung bình Hồng ngoại nhiệt Hồng ngoại trung bình 30 m 30 m 30 m 30 m 30 m 120 m 30 m Lục Đỏ Hồng ngoại gần Hồng ngoại gần Xanh lơ Lục Đỏ Hồng ngoại gần Hồng ngoại trung bình Hồng ngoại nhiệt Hồng ngoại trung bình Lục đến hồng ngoại gần 80 m 80 m 80 m 80 m 30 m 30 m 30 m 30 m 30 m 60 m 30 m 15 m Bảng 3.6: Khả năng ứng dụng tương ứng với các kênh phổ Kênh Bước sóng Ứng dụng Phân biệt thực phủ, thành lập bản đồ vùng ven bờ biển, 0,45÷0,52 TM 1 (xanh lơ) xác định đối tượng trồng trọt TM 2 TM 3 TM 4 0,52÷0,60 (lục) 0,63÷0,60 (đỏ) 0,76÷0,90 (gần IR) Thành lập bản đồ thực phủ, xác định đối tượng trồng trọt Phân biệt loại cây trồng, vùng có và không có thực vật, xác định đối tượng trồng trọt Xác định loại cây trồng, vùng có và không có thực vật, độ ẩm của đất, sinh quyển 102 Phạm Văn Thông Chương 3: Những kiến thức cơ bản về RS 1,55÷1,75 TM 5 (Hồng ngoại sóng ngắn IR) 10,4÷12,5 TM 6 (Hồng ngoại nhiệt IR) TM 7 (Hồng ngoại sóng ngắn IR) Cảm nhận độ ẩm của đất và thực vật, phân biệt vùng bao phủ bởi mây và tuyết Phân biết độ ẩm của đất và sự dày đặc của rừng, thành lập bản đồ nhiệt, xác định cháy rừng 2,08÷2,35 Phân biệt loại đá và khoáng, hàm lượng độ ẩm của cây b. Vệ tinh SPOT Vệ tinh SPOT được cơ quan hàng không Pháp (Système Poul l’Observation de la Terre) phóng lên quỹ đạo năm 1986, sau đó vào các năm 1990, 1993, 1998 và 2002 lần lượt các vệ tinh SPOT 2-3-4 và 5 được đưa vào họat động. Đây là loại vệ tinh đầu tiên sử dụng kỹ thuật quét dọc tuyến chụp với hệ thống quét điện tử có khả năng cho ảnh lập thể dựa trên nguyên lý thám sát nghiêng. Bộ cảm biến HRV (High Resolution Visible) được chế tạo cho vệ tinh SPOT là máy quét điện tử CCD. Tuy nhiên, HRV có thể thay đổi góc quan sát nhờ một gương định hướng và gương này cho phép quan sát nghiêng 270 nên có thể thu được ảnh lập thể. Đến SPOT-4 bộ cảm biến được cải tiến để thu nhận vùng phổ hồng ngoại và có tên gọi là HRVIR (High Resolution Visible and Middle Infrared). SPOT được thiết kế, vận hành và khai thác phục vụ mục đích thương mại, nhằm cung cấp dữ liệu giám sát tài nguyên và môi trường. Ảnh SPOT được cung cấp ở hai dạng khác nhau là ảnh toàn sắc Panchromatic có độ phân giải không gian cao hơn sơ với ảnh đa phổ (trên 3 kênh) và cũng được sử lý ở các cập độ khác nhau. Cấp 1: Đã hiệu chỉnh cơ bản về phổ và hình học Cấp 2: Sử dụng điểm khống chế mặt đất để hiệu chỉnh hình học Cấp 3: Hiệu chỉnh hình học có sử dụng mô hình độ cao số của mặt đất (DEM) Ảnh SPOT được nhận tại 14 trạm thu trên mặt đất, mỗi cảnh được xác định theo số hiệu cột và hàng trong hệ thống quy chiếu lưới toàn cầu SPOT-GRS (Grid Reference System). Do ảnh SPOT phủ một vùng trên mặt đất rộng 60x60km, độ phân giải không gian cao và cho phép tạ ảnh lập thể nên được ứng dụng khác phổ biến trong nghiên cứu hiện trạng sử dụng đất, phân tích biến động và thành lập bản đồ tỷ lệ 1:10.000 và nhỏ hơn. Bảng 3.7: Đặc trưng chính của sensor và độ phân giải không gian Tên bộ cảm biến SPOT 1-3 HRV-XS: Khả kiến độ phân giải cao Đa phổ HRV-P: Khả kiến độ phân giải cao Toàn sắc SPOT-4 HRVIR-X: Kênh Bước sóng µm Loại Độ phân giải không gian Kênh 1 Kênh 2 Kênh 3 0,50÷0,59 0,61÷0,68 0,79÷0,89 Lục đến vàng Đỏ Hồng ngoại gần 20m 20m 20m Kênh P 0,51÷0,73 Lục đến đỏ 10m Kênh 1 Kênh 2 0,50÷0,59 0,61÷0,68 Lục đến vàng Đỏ 20m 20m 103 Phạm Văn Thông